有机太阳能电池的原理和应用

有机太阳能电池的原理和应用

一、结构和基本原理目前的有机太阳能电池可以分为三类。

第一个有机光电转化器件是由Kearns和CaIvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO能级激发到LUM 0能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半

导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传

递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，

他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同

的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化

合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。

1.2双层膜异质结型有机太阳能电池

在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破。

实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主

要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍

生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n异质结型

有机太阳能电池。在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Do nor）,以下简记为D）

和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。D 层或者A层受到光的激发生成激子，激子扩散到D层和A层界面处发生点电荷分

离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。1992年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注

入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60的界面

上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，

可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60是一种良好的电子受体材料。1993年，Sariciftci 在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物，也是一种典型的P型有机半导体材料。此后，以C60为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。

1.3混合异质结型有机太阳能电池随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（Bulk Heterojunction ）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面

的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域

分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁

移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了

双层膜电池的光电转化效率。

而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生

的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年 3 月，大阪大学和大阪市立研究所宣布，成功开发出了单元转换效率高达 5.3 ％

的有机固体太阳能电池。这一转换效率是通过采用纯度99.99999 ％以上的C60 结晶

增厚混合薄膜至960nm实现的。此次开发的有机固体太阳能电池的结构为ITO (透明电极)

/H2Pc/i层/C60/NTCDA/Ag (电极)。H2Pc为酞菁，NTCDA为萘四甲酸酐。i层即为同时蒸镀p 型半导体H2Pc 和n 型半导体C60 而形成的混合薄膜。[2] 相对于双层膜电池，此种结构的效率提高相当明显，目前保持了有机太阳能电池中的最高效率纪录。

二、材料

2.1.1 有机小分子化合物早期有机太阳能电池在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心

式结构。酞菁类化合物是典型的p-型有机半导体，具有离域的平面大n键，在600~800nm 的光谱区域有较大吸收。同时芘类化合物是典型n- 型半导体材料，具有较高的电荷传输能力，在400~600nm 光谱区域内有较强吸收。下图展示了目前被广泛用作有机太阳能电池的电子受体材料。

[3]2.1.2 有机大分子化合物在过去的几十年间，人们将具有半导体性质的有机大分子化合物(共轭聚合物)制成各

种光电器件，对电致发光二极管进行了研究，基于共轭聚合物的有机太阳能电池从20 世纪90 年代起得到了迅速的发展。

2.1.3 模拟叶绿素材料植物的叶绿素可将太阳能转化为化学能的关键一步是叶绿素分子受到光激发后产生电荷分离态，且电荷分离态寿命长达1s 。电荷分离态存在时间越长越有利于电荷的输出。美国阿尔贡国家实验室的工作人员合成了具有如下结构的化合物C-P-Q 。卟啉环吸收太阳光，将电子转移到受体苯醌环上，胡萝卜素也可以吸收太阳光，将电子注入卟啉环，最后正电荷集中在胡萝卜素分子，负电荷集中在苯醌环上，电荷分离态的存在时间高达4ms。卟啉环对太阳光的吸收远大于胡萝卜素。如果将该分子制成极化膜附着在导电高分子膜上，就可以将太阳能转化为电能。三、应用和挑战

3.1 优点及其应用、前景

3.1.1 有机太阳能电池具有如下优点：

( 1)化学可变性大，原料来源广泛；

(2)有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传

送能力；

( 3)加工容易，可采用旋转法、流延法大面积成膜，还可进行拉伸取向使极性分子规整排

列，采用LB膜技术在分子生长方向控制膜的厚度；

(4)容易进行物理改性，如采用高能离子注入掺杂或辐照处理可提高载流子的传导能力，减小电阻损耗提高短路电流；

(5)电池制作的结构多样化；

(6)价格便宜。有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业

化生产，因而成本低廉。这是有机太阳能电池实用化最具有竞争能力的因素。[4]

(7)可降解，对环境的污染小。

主要太阳能电池技术分类比较[5] 技术分代太阳能电池类型原材料生产工艺光电转化效率第一代：

晶体硅太阳能电

池

单晶硅生产过程污染高，能耗大工艺繁琐，成本高昂

16％－18％

多晶硅生产工艺较单晶

硅简单，但成本